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Domänenbewegung bei Proteinen: Scher- und Scharnierbewegungen

Energetische Aspekte der Scharnierbewegung

Proteine in Lösung können häufig mehr als nur eine stabile Konformation einnehmen. Dies gilt auch für Proteine, bei denen zwei verhältnismäßig starre Proteindomänen während der Substratbindung ihre Lage relativ zueinander verändern - der so genannten Scharnierbewegung (auch "hinge bending"-Bewegung genannt).

Energetisch kann man sich vorstellen, dass bei diesen Proteinen mit erheblicher Konformationsänderung die Energielandschaft wie ein Trichter mit rauher Bodenfläche gestaltet ist, wobei die Bodenfläche umso mehr Höhen und Tiefen aufweist, je massiver die Konformationsänderung ist. Im Beispiel einer Energielandschaft rechts entspräche jeder Tiefpunkt einer stabilen Konformation des Proteins. Bei Scharnierbewegungen sind die Energiebarrieren zwischen den beiden möglichen Konformationen (offen/geschlossen) gering.

Abb.1

Elektrostatische Interaktionen oder hydrophobe Wechselwirkungen?

Welche Arten von Interaktionen treten aber nun bei Scharnierbewegungen auf? Sinha, Kumar und Nussinov untersuchten eine Reihe von Proteinen, bei denen die Kristallstrukturen der offenen und geschlossenen Konformation bekannt sind. Es zeigte sich, dass elektrostatische Interaktionen (Salz- und H-Brücken) zwar häufig innerhalb der Domänen auftreten, bei der Domänenbewegung aber keine große Rolle spielen. Unter energetischen Gesichtspunkten betrachtet, macht das auch Sinn, denn Salz- und H-Brücken wirken im Allgemeinen strukturstabilisierend und sie würden daher eine Domänenbewegung eher verhindern als fördern.

Tab.1
Salz- und H-Brücken der geschlossenen Konformation einiger Proteine, die eine Scharnierbewegung ausführen - Angegeben ist die Zahl der Salz- bzw. H-Brücken der Spaltregion im Vergleich zur Zahl im Gesamtprotein (in Klammern). Tabelle verkürzt nach: N. Sinha, S. Kumar and R. Nussinov (2001).
ProteinSalzbrückenWasserstoff-Brücken zwischen Hauptketten
Lysozym2 (4)0 (104)
Maltodextrin-Bindungsprotein0 (6)0 (199)
Seryl-tRNA-Synthetase1 (10)1 (199)
Hämoglobin0 (11)0 (437)

Offensichtlich spielen bei der "hinge-bending"-Bewegung eher die hydrophoben Interaktionen eine Rolle. Vergleicht man die Fläche der unpolaren Reste an den Spaltfächen ("nonpolar buried surface area"), so sind die Werte für die offenen und die geschlossene Konformation mehr oder weniger gleich oder geringfügig größer für die offene Konformation, so dass die Öffnung des Moleküls leicht bevorzugt ist. Ganz allgemein gilt, dass die Öffnungsbewegung umso größer sein kann, je kleiner die Fläche der unpolaren Reste an den Spaltflächen ist. Wird ein Ligand gebunden, so ist der Spaltschluss leicht bevorzugt, weil nun die zusätzlichen Interaktionen mit dem Liganden einen Energiebeitrag liefern.

Literatur

Sinha, N.; Kumar, S.; Nussinov, R. ((2001)): Interdomain interactions in hinge-bending transitions. In: Structure. 9 , 1165-1181

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